專利名稱：：一種油氣田鉆采用發(fā)泡劑的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種用于石油天然氣鉆采工藝及地?zé)徙@井中，特別適用于含有原油及碳?xì)浠衔锏牡蚋邼舛入娊赓|(zhì)的環(huán)境下，具有優(yōu)良的起泡能力和炮沫穩(wěn)定性的油氣田鉆采用發(fā)泡劑的制備方法。
背景技術(shù)：
：許多油氣田開(kāi)采到中后期，產(chǎn)層壓力普遍下降。同時(shí)，新發(fā)現(xiàn)的不少油氣田，儲(chǔ)藏層的壓力也不高，鉆探這類油氣田的最好方法是采用空氣鉆井。所謂空氣鉆井是利用空氣、氮?dú)庾鳛檠h(huán)介質(zhì)的鉆井技術(shù)。由于氣體密度小，井內(nèi)流體靜水壓力大大低于常規(guī)鉆井液靜水壓力，在井底形成欠壓差。這樣既有效防止液體和固體進(jìn)入儲(chǔ)藏層、大大減少對(duì)油氣層的傷害，又極大地提高機(jī)械鉆速，因此很有發(fā)展前景。由于在鉆進(jìn)過(guò)程中，不可避免地要遇到地層水浸入井筒，浸入的水與鉆屑形成泥餅或團(tuán)塊，不能有效地被氣體帶出地面，嚴(yán)重干擾鉆井的順利進(jìn)行。發(fā)泡劑能有效地分散鉆具黏附的巖屑和泥餅，充分分散地層浸入的液體，大大增強(qiáng)流體的舉屑能力，使井筒環(huán)空內(nèi)流體呈穩(wěn)定狀態(tài)；發(fā)泡劑還可潤(rùn)滑鉆具和井壁，在井壁形成保護(hù)膜，降低流體對(duì)井壁的沖蝕，改善裸眼井壁質(zhì)量，降低摩阻損耗。因此，發(fā)泡劑是空氣鉆井得以順利進(jìn)行的重要保證。天然氣田開(kāi)采過(guò)程中，出現(xiàn)水淹井是普遍存在的問(wèn)題。解決的最好辦法是泡沫排水。即向有積液的天然氣井內(nèi)注入發(fā)泡劑，天然氣、積液和發(fā)泡劑在井底充分混合形成泡沫，密度大大降低，同時(shí)泡沫能減少水的滑脫，提高氣流攜液能力，降低井底回壓，增加氣產(chǎn)量。該工藝施工容易，投資少，成本低，見(jiàn)效快，不影響氣井正常生產(chǎn)，因而廣泛被采用。泡沫還可用于水泥固井、沖砂洗井、調(diào)剖、壓裂、酸化等工藝，因此發(fā)泡劑在在石油天然氣開(kāi)發(fā)工業(yè)中，有著廣泛的用途。但在上述采用泡沫的工藝中，泡沫都要與地層和地層水接觸，這就要求產(chǎn)生的泡沫在含一定數(shù)量可溶鹽，如氯化鈉、氯化鈣、氯化鎂等的水中有高的泡沫穩(wěn)定性，對(duì)影響泡沫穩(wěn)定的一些因素，如原油、固體微粒有較高的容忍能力，而且還必須在極端的物理環(huán)境如高溫、高壓的情況下不降解。對(duì)酸化泡沫還要求在強(qiáng)酸和高濃度電解質(zhì)下既有好的泡沫穩(wěn)定性也不降解。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是為了改進(jìn)N-烴基-N-N-二甲基羥丙基磺基甜菜堿的合成工藝，降低生產(chǎn)成本，大幅度提高其在淡水和含電解質(zhì)或碳?xì)浠衔锏乃驈?qiáng)酸中的起泡能力和泡沫穩(wěn)定性，在高溫下不降解，特提出一種油氣田鉆采用發(fā)泡劑的制備方法。本發(fā)明的原理是在合成兩性表面活性劑N-烴基-N，N-二甲基羥丙基磺基甜菜堿時(shí)，加入一種陰離子表面活性劑，不但可以改進(jìn)反應(yīng)條件，縮短反應(yīng)時(shí)間，提高轉(zhuǎn)化率。同時(shí)，可得到泡沫性能優(yōu)良的發(fā)泡劑。這種發(fā)泡劑大大提高了烴類對(duì)泡沫損害的抵抗能力，在可溶性無(wú)機(jī)鹽、強(qiáng)酸等電解質(zhì)的環(huán)境中仍然保持著優(yōu)良的泡沫性能，其詳細(xì)情況描述如后。N-烴基-N，N-二甲基羥丙基磺基甜菜堿，分子式RN(CH3)2CH2CH(OH)CH2S03—(R為碳原子數(shù)8-18的直鏈或支鏈烴基)，是一種兩性表面活性劑。其表面活性強(qiáng)，泡沫豐富，鹽溶性好，在酸堿中穩(wěn)定，具有優(yōu)良的抗硬水性和鈣皂分散力，用途廣泛。N-烴基-N，N-二甲基羥丙基磺基甜菜堿有多種合成路線w，其中兩條路線合成較好。其一是將叔胺與環(huán)氧氯丙垸作用，接著用亞硫酸鈉處理，結(jié)果主要得到兩種羥丙基磺化甜菜堿的混合物RN+(CH3)2CH2CH0HCH2S03—禾nRN+(CH3)2CH(CHOH)CH2S03—顯然，這不是一種最好的合成路線；其二是將亞硫酸鈉與環(huán)氧氯丙烷反應(yīng)制備3-氯-2-羥基丙磺酸鈉ClCH2CH(0H)CH2S03Na，再將長(zhǎng)鏈?zhǔn)灏稲N(CH3)2，(R二C原子數(shù)為8-18的直鏈或支鏈烴基)，跟3-氯-2-羥基丙磺酸鈉作用，得到確定的化合物RN<formula>formulaseeoriginaldocumentpage4</formula>在實(shí)際生產(chǎn)中都采用后一種路線。在此合成路線中，長(zhǎng)鏈?zhǔn)灏放c3-氯-2-羥丙基磺酸鈉的作用為非均相反應(yīng)，為了縮短反應(yīng)時(shí)間，提高叔胺轉(zhuǎn)化率，生產(chǎn)時(shí)都在單一或多羥基醇如乙醇、丙三醇的水溶液中進(jìn)行。即便如此，反應(yīng)的時(shí)間也相當(dāng)長(zhǎng)，有時(shí)長(zhǎng)達(dá)30多小時(shí)。殘余的叔胺無(wú)表面活性。本發(fā)明發(fā)現(xiàn)，用此路線合成N-烴基-N，N-二甲基羥丙基磺基甜菜堿表面活性劑的過(guò)程中，加入一種分子式為R10(CH2CH20)n(CH2)mCH(X)CHJM，(R^C原子數(shù)為8-22的飽和或不飽和的直鏈或支鏈烴基，n二0-6，m=l-3，X二-H、-0H、或-CH3，Y為-C00—或-S03—，M=Na、K、N仏等)的陰離子表面活性劑，可使合成反應(yīng)在水中進(jìn)行(勿需加醇)，反應(yīng)時(shí)間大大縮短，叔胺轉(zhuǎn)化率提高，且產(chǎn)品的泡沫性能優(yōu)良。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是一種油氣田鉆采用發(fā)泡劑的制備方法，由兩步合成來(lái)實(shí)現(xiàn)，其技術(shù)特征是第一步，3_氯-2-羥丙基磺酸鈉(用n表示)的合成，反應(yīng)在封閉的容器內(nèi)進(jìn)行，先將環(huán)氧氯丙烷l.Omol、亞硫酸氫鈉L05mo1,去離子水280—300ml，堿催化劑O.lg—1.0g，加入到反應(yīng)器內(nèi)，在攪袢下加熱到60—85°C，反應(yīng)2-3h，反應(yīng)物在7(TC陳化lh后，用去離子水處理成含3-氯-2-羥丙基磺酸鈉30%濃度的水溶液；第二步，N-烴基-N，N-二甲基羥丙基磺基甜菜堿(用I表示)的合成，將長(zhǎng)鏈?zhǔn)灏稲N(CH3)2(用III表示)加到用上述方法得到的3-氯-2-羥丙基磺酸鈉(II)水溶液與陰離子表面活性劑(用IV表示)及水的混合溶液中，它們的重量比為，III:II:IV:水=100:90-110:1-50:200-400，或?qū)⒑?-氯-2-羥丙基磺酸鈉(II)的水溶液加到III與IV及水的混合溶液中，它們的重量比為，II:III:IV:水=90_110:100:1-50:200-400，在攪拌下加熱到75—95°C，反應(yīng)7—9小時(shí)，制得以N-烴基-N，N-二甲基羥丙基磺基甜菜堿為主要成分的發(fā)泡劑。本發(fā)明所述的減催化劑是NaOH、Ca(OH)2、^20)3\中的一種。本法所述的陰離子表面活性劑是分子式為R10(CH2CH20)n(CH2)mCH0HCH2C00Na(K)、R10(CH2CH20)n(CH2)mCH2CH2COONa(K)、R10(CH2CH20)n(CH2)mCH2CH2S03Na(K)、R'0(CH2CH20)n(CH2)mCHOHCKSOsNa(K)、R10(CH2CH20)n(CH2)mCHCH線COONa(K)、R10(CH2CH20)n(CH2)mCHCH3CH2S03Na(K)的一禾中(式中R'二C原子數(shù)為8-22的飽和或不飽和的直鏈或支鏈烴基，n=0-6，m=l_3)，本法所述的長(zhǎng)鏈?zhǔn)灏肥荂sHi7N(CH3)2、C10H21N(CH3)2、C12H25N(CH3)2、C14H29N(CH3)2、C16H33N(CH3)2中的一種或它們的混合物。本法所述反應(yīng)必須在堿性溶液中進(jìn)行，整個(gè)反應(yīng)過(guò)程中控制溶液的pH值在7.5—8.5的范圍。本發(fā)明的有益效果是(1)合成N-烴基-N，N-二甲基羥丙基磺基甜菜堿勿需在醇溶液中進(jìn)行，反應(yīng)時(shí)間大大縮短，叔胺轉(zhuǎn)化率高；(2)由于反應(yīng)的產(chǎn)物單一，叔胺轉(zhuǎn)化率高，殘留的叔胺(無(wú)表面活性)和3-氯-2-羥丙基磺酸鈉都很少，同時(shí)陰離子表面活性劑(IV)與反應(yīng)生成的N-烴基-N，N-二甲基羥丙基磺基甜菜堿(I)有很強(qiáng)的協(xié)同作用，大大提高了產(chǎn)品的表面活性，泡沫性能比原有組分都好。而且與其他表面活性劑有很好的復(fù)配作用，可得到適用于油氣田開(kāi)采不同要求所需要的發(fā)泡劑配方。具體實(shí)施方式下面結(jié)合本發(fā)明的技術(shù)方案說(shuō)明該發(fā)明的實(shí)施方法和產(chǎn)品性能的測(cè)試結(jié)果例l.在1升反應(yīng)釜內(nèi)加入27.5%的亞硫酸氫鈉溶液415克，加入10y。NaOH溶液lml,放上反應(yīng)釜蓋，在攪拌下加溫到65。C，接著加入環(huán)氧氯丙烷100克，在65—75'C反應(yīng)2.5小時(shí)，反應(yīng)物在70'C陳化1小時(shí)，加水190ml，得30%的3-氯-2-羥丙基磺酸鈉溶液706克。于1000ml三口燒瓶中，加入30。/。的3-氯-2-羥丙基磺酸鈉溶液330克，去離子水120ml，再加入陰離子表面活性劑(IV)50克，加熱到75'C,在此溫度下攪拌30分鐘，加入十二垸基二甲基胺100克，以酚酞做指示劑，滴加l(m的NaOH溶液，控制反應(yīng)體系的pH值在7.5-8.5，繼續(xù)在75-95°C反應(yīng)8小時(shí)，得到微帶黃色微帶粘稠的液體，測(cè)定其游離胺值，叔胺的轉(zhuǎn)化率》99.5%。例2.在1000ml三口燒瓶中，加入100克dw4二甲基叔胺、190ml去離子水、30克陰離子表面活性劑(IV)，再加入例1制備的30%的3-氯-2-羥丙基磺酸鈉溶液300克，加熱到85"C，攪拌1小時(shí)。用酚酞作指示劑，滴加15。/。的Na0H溶液，控制反應(yīng)體系的pH值在7.5-8.5，保持75—95。C繼續(xù)反應(yīng)8h，得到較粘稠液體，測(cè)定其殘留叔胺《0.5%。例3.泡沫性能測(cè)試。這里采用WaringBlender攪拌法來(lái)測(cè)試發(fā)泡劑在不同條件下的泡沫性能。美國(guó)石油工業(yè)部門常采用此法，我國(guó)石油工業(yè)部門通常也采用這種方法。所用儀器為Waring-Blender攪拌器，試驗(yàn)時(shí)，在有刻度的攪拌杯加入100ml測(cè)試液，高速(》5000rpm)攪拌60s后，關(guān)閉開(kāi)關(guān)，立即記下泡沫體積(V)，用此表示發(fā)泡劑的起泡能力，V越大，起泡能力越強(qiáng)。隨即記錄從泡沫中析出50ml液體所需要的時(shí)間(t)，稱為泡沫的(排液)半衰期，反映泡沫的穩(wěn)定性，t越長(zhǎng)，泡沫越穩(wěn)定。起泡能力和泡沫穩(wěn)定性是發(fā)泡劑最主要的性能，因此，V和t的數(shù)值比較好地表示出發(fā)泡劑的性質(zhì)。表l列出了本按發(fā)明例l合成出的發(fā)泡劑(X1)與DSB(N-十二烷基-N，N-二甲基羥丙基磺基甜菜堿)、陰離子表面活性劑IV及油氣田常用的發(fā)泡劑SDS(十二烷基硫酸鈉)、AES(垸基聚氧乙烯醚硫酸鈉)、ABS(烷基苯磺酸鈉)、BS-12(烷基甜菜堿)在不同水質(zhì)條件下的泡沫性能。表l<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>注表面活性劑的濃度均為0.25%列出的幾種表面活性劑，在不同條件下X'的泡沫性能最好。在CaCl2、NaCl和原油共存的體系中，表面活性劑的泡沫性能都很差，Xi的V和他下降較多，但X1的泡沫性能可加入少量乙二醇或其衍生物而大大改進(jìn)，見(jiàn)表2.表2<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>因此，在油氣田的實(shí)際使用中，遇到含鹽鹵的地層水與油共存的十;況時(shí)，在xi中加入少量乙二醇或其衍生物，是一個(gè)很好的配方，其配比量酌情而定。'十二垸基硫酸鈉(SDS)、烷基聚氧乙烯醚硫酸鈉(AES)在強(qiáng)酸中不穩(wěn)定，易分解；十二烷基苯磺酸鈉(ABS)在鈣鹽中生成沉淀不起泡;垸基甜菜堿(BS-12)為兩性表面活性劑，有等電點(diǎn)，而X!在鹽酸、氯化鈣等強(qiáng)電解質(zhì)溶液中均有很好的泡沫性能，見(jiàn)表3N-十二烷基-N，N-二甲基羥丙基磺基甜菜堿，雖然是一種兩性表面活性劑，但它沒(méi)有等電點(diǎn)。表3<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>因此，X1可作為泡沫酸化工藝的發(fā)泡劑。X1表面活性劑熱穩(wěn)定高，有很好的耐高溫分解性，將其0.25%的水溶液在20(TC保溫12小時(shí)，加熱前后泡沬性能沒(méi)有多大變化，見(jiàn)表4表4<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>在高溫儲(chǔ)層驅(qū)油、深井排水采氣、地?zé)徙@井等高溫作業(yè)中，都需要熱穩(wěn)定性高的發(fā)泡劑。權(quán)利要求1、一種油氣田鉆采用發(fā)泡劑的準(zhǔn)備方法，是由兩步合成來(lái)實(shí)現(xiàn)，其特征是第一步，反應(yīng)在封閉的容器中進(jìn)行，先將環(huán)氧氯丙烷1.0mol，亞硫酸氫鈉1.05mol，去離子水280-300ml，堿催化劑0.1-1.0g，加入到反應(yīng)器內(nèi)，在攪拌下加熱到60-85℃，反應(yīng)2-3h，反應(yīng)物在70℃陳化1h后，用去離子水處理成含3-氯-2-羥丙基磺酸鈉30％濃度的水溶液；第二步，再將長(zhǎng)鏈?zhǔn)灏罚尤氲缴鲜龇椒ㄖ频玫?-氯-2-羥丙基磺酸鈉溶液與陰離子表面活性劑及水的混合溶液中，它們的重量比為叔胺∶3-氯-2-羥丙基磺酸鈉∶陰離子表面活性劑∶水＝100∶90-100∶1-50∶200-400，或?qū)⒑?-氯-2-羥丙基磺酸鈉的溶液加入到長(zhǎng)鏈?zhǔn)灏放c陰離子表面活性劑及水的混合溶液中，它們的重量比為3-氯-2-羥丙基磺酸鈉∶長(zhǎng)鏈?zhǔn)灏贰藐庪x子表面活性劑∶水＝90-110∶100∶1-50∶200-400，在攪拌下加熱到75-95℃，反應(yīng)7-9h，制得N-烴基-N，N-二甲基羥丙基磺基甜菜堿。2、根據(jù)權(quán)利要求l所述發(fā)泡劑的制備方法，其特征是本法所述的減催化劑是用NaOH、Ca(0H)2、勛2(:03的一種。3、根據(jù)權(quán)利要求l所述發(fā)泡劑的制備方法，其特征是本法所述的長(zhǎng)鏈?zhǔn)灏肥怯肅孔7N(CH3)2、C10H21N(CH3)2、C12H25N(CH3)2、CI4H29N(CH3)2、d晶3N(CH丄中的一種或它們的混合物。4、根據(jù)權(quán)利要求l所述發(fā)泡劑的制備方法，其特征是本法所述的陰離子表面活性劑是用R10(CH2CH20)n(CH2)mCHOHCH2COONa(K)、R10(CH2CH20)n(CH2)mCH2CH2COONa(K)、R'0(CH2CH20)n(CH2)mCH2CH2S03Na(K)、R'CKCHzCHWn(CH2)mCHOHC貼O3Na(K)、R10(CH2CH20)n(CH2)mCHCH3CH2C00Na(NH4)、R10(CH2CH20)n(CH2)mCHCH3CH2S03Na(NH4)的一種，式中R'《原子數(shù)為8-22的飽和或不飽和的直鏈或支鏈烴基，n=0-6，m=l-3。5、根據(jù)權(quán)利要求l所述發(fā)泡劑的制備方法，其特征是本法所述反應(yīng)須在堿性溶液中進(jìn)行，整個(gè)反應(yīng)過(guò)程中控制溶液的pH值在7.5—8.5的范圍。全文摘要本發(fā)明涉及一種用于石油天然氣鉆采工藝及地?zé)徙@井中的油氣田鉆采用發(fā)泡劑的準(zhǔn)備方法。本法為改進(jìn)該發(fā)泡劑的合成工藝，降低生產(chǎn)成本，提高起泡能力和泡沫穩(wěn)定性，用兩步合成來(lái)實(shí)現(xiàn)。其特征是先將環(huán)氧氯丙烷、亞硫酸氫鈉、去離子水、堿催化劑加入反應(yīng)器內(nèi)，攪拌下，加熱到60-85℃，反應(yīng)2-3h，反應(yīng)物在70℃陳化1h后，用去離子水處理成含3-氯-2-羥丙基磺酸鈉30％濃度的水溶液；再將長(zhǎng)鏈?zhǔn)灏芳拥缴戏ㄖ频玫乃芤号c陰離子表面活性劑及水的混合溶液中，攪拌下加熱到75-95℃，反應(yīng)7-9h，制得以N-烴基-N，N-二甲基羥丙基磺基甜菜堿為主要成分的發(fā)泡劑。本發(fā)明反應(yīng)時(shí)間大大縮短，叔胺轉(zhuǎn)化率高，提高了表面活性，產(chǎn)品泡沫性能好，可用于油氣田鉆采所需發(fā)泡劑配方。文檔編號(hào)C09K8/02GK101215462SQ20081004516公開(kāi)日2008年7月9日申請(qǐng)日期2008年1月11日優(yōu)先權(quán)日2008年1月11日發(fā)明者孟英峰,趙曉東申請(qǐng)人:西南石油大學(xué)